Met een nieuwe opstelling denken Nederlandse wetenschappers dat ze de komende jaren kunnen achterhalen of ze het vorig jaar waargenomen deeltje daadwerkelijk een Majorana-deeltje is. De opstelling bestaat uit gekruiste halfgeleidende nanodraadjes waarin de deeltjes gemanoeuvreerd kunnen worden zonder instabiel te worden.
Vorig jaar hadden Delftse natuurkundigen plots beet. Ze maakten wereldkundig dat ze in een nanodraad van indium-antimoon een deeltje hadden gevonden dat wel erg veel weg leek te hebben van het exotische Majorana-deeltje. Dat deeltje is door wetenschappers begeerd omdat ze vermoeden dat het de perfecte rekeneenheid zou kunnen vormen voor een supersnelle quantumcomputer. Maar voor het zo ver is moet natuurlijk wel duidelijk zijn of de aanwijzingen van afgelopen jaar ook daadwerkelijk van een Majorana-deeltje afkwamen.
Inmiddels denken de wetenschappers van de technische universiteiten in Eindhoven en Delft dat ze goed op weg om de Majorana-deeltjes in te sluiten. En wel met een gloednieuwe opstelling die ze vorig weekend in een publicatie in Nature Nanotechnology uitlegden. Deze opstelling bestaat in tegenstelling tot de eerder gebruikte nanodraad uit verschillende nanodraden die elkaar kruisen. Volgens de onderzoekers geeft de uitbreiding letterlijk de ruimte om de Majorana-deeltjes door de opstelling te bewegen en ze zo te onderzoeken.
Het Majorana-deeltje werd in 1937 voorspeld door de Italiaanse natuurkundige Ettore Majorana. Hij dacht dat er naast normale fermionen, die altijd een antideeltje hebben met onder andere een tegenovergestelde lading, ook deeltjes moeten bestaan waarvan het antideeltje precies dezelfde eigenschappen heeft als het normale deeltje. In deeltjesversnellers is tevergeefs gespeurd naar Majorana-deeltjes. Maar de eerste experimentele aanwijzingen volgden pas in 2012 toen wetenschappers onder leiding van Leo Kouwenhoven een deeltje waarnamen dat de eigenschappen heeft van een Majorana-deeltje.
Artistieke impressie van een Majorana-deeltje.
Universiteit van InnsbruckSchuifpuzzel
De truc is eigenlijk het creëren van een extra ruimte waarin Majorana-deeltjes geparkeerd kunnen worden, laat Ilse van Weperen weten. Zij is een van de betrokken wetenschappers van de TU Delft. “We hebben het nanodraadje als het ware ‘zijstraatjes’ gegeven, daarin kunnen we deeltjes als een soort schuifpuzzel rondschuiven zonder dat ze elkaar tegenkomen. Majorana-deeltjes ontstaan namelijk altijd in paren die elkaar onvermijdelijk tegenkomen in een rechte draad. En op dat moment verliezen ze hun stabiliteit.”
Links de stammetjes met op de puntjes gouddruppeltjes. Rechts de horizontale nanodraadjes die aan de stammetjes zijn vastgegroeid.
Nature Nanotechnology/S. Plissard et al.De wetenschappers ‘groeiden’ hun nanokruispunten aan verticale stammetjes van ongeveer een micrometer hoog. Aan de zijkant bevinden zich kleine gouddruppeltjes die de groei van de minuscule stammetjes bevorderen. De druppeltjes kunnen vervolgens dienen als startpunt voor het opdampen van een horizontaal draadje van indium-antimoon. Als verschillende van die draadjes tijdens het groeiproces bovendien bij elkaar komen ontstaat er een kruispunt. Precies wat de wetenschappers denken nodig te hebben voor hun Majorana-experiment.
Erik Bakkers, professor van de Technische Universiteit Eindhoven, was betrokken bij het onderzoek en is enthousiast. “We denken dat we met deze opstelling aan alle eisen kunnen voldoen voor de waarneming van Majorana-deeltjes. Maar er moet nog wel wat werk verzet worden. Zo moeten we nog elektrodes zien aan te brengen onder de draden die we tussen de stammetjes hebben gespannen. Daarmee kunnen we de Majorana’s in de draad daarboven bewegen en manipuleren.”
Voorop lopen
Dat hun opstelling meteen het hoog aangeschreven ‘Nature Nanotechnology’ haalt verklaart Bakkers onder andere met de race die gaande is tussen verschillende onderzoeksgroepen. “Ook in bijvoorbeeld Denemarken en Israël zijn onderzoekers druk met de zoektocht naar Majorana-deeltjes, maar ik denk dat wij voorop lopen, zeker met deze ontdekking.”
Ondanks zijn vertrouwen kan het volgens Bakkers nog wel enige tijd duren voordat er weer een Majorana-deeltje opduikt in Delft. Hij gokt zelf op vier tot vijf jaar. “Maar wie zal het zeggen. Vlak voor de publicatie vorig jaar had ik gezegd dat het nog wel een paar jaar kon duren. Het kan opeens snel gaan.”